李凌宜，趙 明

(北京市政路橋股份有限公司，北京 100068)

0 引言

近年來，隨著城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展，地下暗挖隧道施工越來越普遍，近距離下穿城市橋梁等既有建(構(gòu))筑物暗挖施工更是比比皆是。在隧道下穿橋梁過程中，隧道的開挖引起周邊圍巖應(yīng)力釋放，擾亂原有地應(yīng)力場的分布，進(jìn)而引發(fā)地層變形對鄰近橋樁的擾動，從而威脅橋梁使用和安全[1]，甚至可能誘發(fā)安全事故。

針對地鐵隧道下穿建(構(gòu))筑物施工及其對鄰近樁基的影響問題，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬、理論分析和模型試驗等方法進(jìn)行了廣泛研究。Lee等[2]采用數(shù)值模擬方法從整體上研究了樁-土-隧道三者之間的作用特征，分析了隧道施工對鄰近樁基位移及內(nèi)力的影響。李兆平等[3]探討了地鐵工程鄰近橋梁施工的風(fēng)險等級劃分方法，并給出相應(yīng)橋基加固保護(hù)對策。陶連金等[4]對國內(nèi)隧道近接施工的特點、施工工法及沉降控制措施等進(jìn)行了研究，對不同施工方法的適用性、主要影響因素、施工步序的變形分配進(jìn)行了分析?？傮w來說，關(guān)于地鐵隧道下穿橋梁等既有建(構(gòu))筑物及其對鄰近樁基的影響方面已有較多研究，但由于問題的復(fù)雜性，加之不同地區(qū)工程地質(zhì)條件的差別，目前的研究還很不成熟。

目前，在地表建筑物林立的城市環(huán)境下進(jìn)行淺埋隧道掘進(jìn)施工時，對于下穿地表抗震等級低的建(構(gòu))筑物困難地段，或不允許產(chǎn)生爆破振動地段，冷開挖往往成為一種不得不選用的手段。冷開挖就是非爆破措施的機械開挖，在下穿、側(cè)穿高層建筑、市政道路、河流、橋梁等安全風(fēng)險高的環(huán)境下，冷開挖對圍巖擾動小，有利于周邊圍巖的自穩(wěn)性，有效控制沉降，安全性高。但冷開挖方式方法繁多，為保證施工安全，尋求對于山地城市地鐵隧道近距離下穿城市橋梁施工的最優(yōu)冷開挖方案也成為工程首要解決的問題。

1 工程概況

貴陽市軌道交通2號線為南北-東西-南北向骨干線，線路跨越新老城區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜。而貴陽市地處云貴高原，奇特的喀斯特地貌大量分布，屬于以山地、丘陵為主的丘原盆地地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶富水、斷層發(fā)育。本文中省醫(yī)站—觀水路站區(qū)間位于南明區(qū)，下穿蟠桃宮立交橋段，隧道拱頂埋深18m，隧道采用全斷面開挖，洞身巖層處于中風(fēng)化白云巖，巖體等級為Ⅳ～Ⅴ級，地下水發(fā)育，巖溶中等～強烈發(fā)育，拱部無支護(hù)時可產(chǎn)生小坍塌，側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破振動過大易坍塌。蟠桃宮立交橋樁基、墩柱及橋面結(jié)構(gòu)為C30混凝土，右隧拱頂距橋墩基底2.35m，3號樁距右隧中線1.5m，4號樁距右隧中線3.3m；左隧拱頂距橋墩基底6.5m，5號樁距左隧中線0.2m，6號樁距左隧中線4.6m，具體平面圖、斷面如圖1，2所示。

圖1 省醫(yī)站—觀水路站區(qū)間下穿蟠桃宮立交橋平面(單位：m)

圖2 左、右線隧道下穿橋樁橫斷面(單位：m)

2 施工方案理論分析

針對地鐵隧道下穿立交橋施工，為解決采用常規(guī)鉆爆法施工擾動大、風(fēng)險高，社會影響大的突出問題，施工前經(jīng)過現(xiàn)場勘察與分析，分別對劈裂機開挖、化學(xué)法(膨脹劑)開挖、破碎錘開挖等多種冷挖方式進(jìn)行分析比較，最終確定采用潛孔鉆+破碎錘配合人工的冷開挖方式，必要時輔以CO2欲裂巖體，避免爆破荷載影響，減緩應(yīng)力釋放過程，最大限度降低區(qū)間隧道下穿施工對立交橋運營安全的影響。同時，采用數(shù)值模擬方法對增加大管棚超前支護(hù)與減少開挖進(jìn)尺(左隧0.5m、右隧0.35m)情況下左線先行(方案1)和右線先行(方案2)2種下穿方案的施工擾動效應(yīng)進(jìn)行分析探究。

2.1 建立模型

為消除邊界尺寸對數(shù)值試驗結(jié)果的影響，取三維地質(zhì)模型x，y，z方向邊界長度分別為80，72，52m。模型中，圍巖采用實體單元進(jìn)行模擬，管棚加固區(qū)通過改變圍巖屬性實現(xiàn)；初期支護(hù)、臨時支撐、二次襯砌和橋面采用板單元進(jìn)行模擬，蓋梁、橋墩、系梁和橋樁利用梁單元進(jìn)行模擬，樁、土間的相互作用以界面單元和樁端單元模擬。模型四周立面與底部邊界面采用法向位移約束，地表設(shè)置為自由邊界面，模型如圖3所示。

圖3 下穿段三維模型(單位：m)

兩種方案中各施工步緊密銜接，左線和右線下穿段每次進(jìn)尺分別為0.5，0.35m，其余區(qū)段每次進(jìn)尺3m，先行隧道下穿段二次襯砌澆筑完成后開始后行隧道下穿段開挖。

2.2 確定材料參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告及工程經(jīng)驗，大管棚超前支護(hù)范圍內(nèi)巖層c，φ，E值依據(jù)文獻(xiàn)資料及取原圍巖相應(yīng)值的1.2倍，其余參數(shù)保持不變，其折算后的力學(xué)參數(shù)及橋梁相關(guān)計算參數(shù)如表1所示。

2.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

2.3.1地表沉降與拱頂沉降

2種方案下穿施工完成后的地表沉降云圖和距起始開挖面(y=0)不同距離下的隧道拱頂豎向位移變化曲線如圖4，5所示。由圖4可知，方案1施工引起的地層沉降量大多處于0.176 3～2.056mm，方案2施工引起的地層沉降量大多處于0.177 8～2.055mm；此外，2種下穿方案施工完成后，橋樁附近土層沉陷均較大而其他區(qū)域沉降量相對較小且沉陷均沿橋樁橫向連線(與行車道垂直)大致呈片狀分布，以左線上部5號樁周邊土層沉降最大，沉降量達(dá)13.22mm。

表1 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖4 地表沉降

圖5 拱頂沉降

由圖5可看出，一方面，同一下穿方案下，左線隧道與右線隧道拱頂沉降規(guī)律基本一致，整體呈“山峰”狀凸起，兩側(cè)沉降值較大而峰頂沉降值較小，而峰頂位置均位于下穿段，這說明增加超前大管棚支護(hù)并減少開挖進(jìn)尺可降低下穿施工引起的拱頂沉降量。另一方面，不同下穿方案下，同一隧道拱頂沉降規(guī)律一致，僅沉降量存在差別，具體表現(xiàn)為先行隧道拱頂沉降量較?。悍桨?施工引起的左隧拱頂沉降量小于方案2，而方案2施工引起的右隧拱頂沉降量小于方案1。此外，不同下穿方案下，左隧拱頂沉降量始終較小，當(dāng)左線先行時，左隧拱頂沉降全段均值為0.957mm，其中下穿段拱頂沉降均值為0.894mm，分別占右線相應(yīng)區(qū)段拱頂沉降均值的90.48%和90.22%；當(dāng)右線先行時，右隧拱頂沉降全段均值為1.037mm，其中下穿段拱頂沉降均值為0.973mm，比左隧相應(yīng)區(qū)段拱頂沉降均值均多出約0.060mm。

2.3.2樁基軸力與橋墩沉降

2種下穿方案施工完成后的樁基軸力如圖6所示，從圖中可看出，不同下穿方案施工引起的樁基軸力無論是大小或分布規(guī)律均幾乎一致。其中，方案1和方案2皆以右隧上方3號與4號橋樁中部及以上位置軸力最大，最大軸力值分別為3 905，3 906kN。

圖6 樁基軸力

為直觀反映下穿施工完成后的橋墩最終沉降及其差異沉降，將其匯總列于表2。需要說明的是，橋墩橫向差異沉降指與行車道垂直方向上兩橋墩的沉降差，如表2中-0.151mm為1號橋墩與2號橋墩的沉降差；縱向差異沉降指沿行車道方向，相鄰奇數(shù)或相鄰偶數(shù)樁號的沉降差，如-2.012mm為1號橋墩與3號橋墩的沉降差。

表2 橋墩最終沉降及差異沉降 mm

由表2可看出，在橋墩沉降方面，同一下穿方案施工引起的各橋墩最終沉降量均以左隧上部5號橋墩與6號橋墩較大，且方案2中5號橋墩與6號橋墩最終沉降量更大。在差異沉降方面，2種方案施工引起的橫向沉降差均較小而縱向沉降差較大，這是因為蓋梁和系梁將橫向橋墩連接為一個整體，受力體系較好；此外，方案2中的橋墩差異沉降與方案1同項相比多數(shù)略大或持平。

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，兩種下穿方案施工引起的地表沉降、拱頂沉降、樁基軸力、橋墩沉降與差異沉降差別不大，出于橋梁運營安全考慮，為盡可能減少下穿施工對橋梁的影響，現(xiàn)場選用橋墩沉降與差異沉降較小的方案1進(jìn)行施工，即先進(jìn)行左隧下穿段施工，其二次襯砌施工完成后，再進(jìn)行右隧下穿段施工。另外，左線隧道與橋樁距離稍大，先行開挖可為后續(xù)樁隧距離更近、施工難度更大的右隧下穿施工積累經(jīng)驗，提供施工反饋。

3 施工控制技術(shù)要點

考慮到數(shù)值計算時假定巖(土)體材料為均勻和各向同性的連續(xù)介質(zhì)，忽略了巖(土)體中的節(jié)理、裂隙等材料力學(xué)行為及施工過程中行車與爆破擾動等荷載影響，且施工現(xiàn)場周邊環(huán)境與工程地質(zhì)復(fù)雜，巖溶中等～強發(fā)育。因此，為保證施工安全，順利完成下穿施工，決定在方案1的基礎(chǔ)上，采用冷開挖法進(jìn)行施工，避免爆破荷載影響，減緩應(yīng)力釋放過程，最大限度降低區(qū)間隧道下穿施工對立交橋運營安全的影響。開挖時，首先利用潛孔鉆在掌子面上鉆孔，然后利用破碎錘配合人工修整。鉆孔間距25～30cm，采用梅花形布置。

施工要點為：①施工前按要求開展超前地質(zhì)預(yù)報工作，重點探測前方地下水及巖溶發(fā)育情況，避免開挖掌子面前方及上部出現(xiàn)溶腔充水造成開挖洞內(nèi)涌水、涌泥現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險隱患并提前進(jìn)行處理；②施工前做好大管棚超前支護(hù)工作，施作采用跟管鉆進(jìn)技術(shù)，減小因管棚鉆孔引起的變形；③下穿時嚴(yán)格采用非爆破開挖，利用破碎錘配合人工修整，嚴(yán)格控制施工期間的振動效應(yīng)，確保圍巖少受擾動；④洞身采用臺階法開挖，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，及時進(jìn)行初期支護(hù)，盡早封閉成環(huán)，上下臺階錯開距離≤5m；⑤當(dāng)初期支護(hù)通過1根樁基、達(dá)到1個二次襯砌循環(huán)長度時，須停止掌子面開挖，封閉掌子面，及時澆筑二次襯砌混凝土，強度達(dá)到設(shè)計強度的80%后，方可進(jìn)行下一襯砌循環(huán)的開挖，且一次、二次襯砌循環(huán)不得同時跨越2根樁基；⑥加強對蟠桃宮立交橋樁基沉降、橋梁傾斜等監(jiān)測，加強地表沉降監(jiān)測，加強洞內(nèi)拱頂沉降、水平收斂等監(jiān)測。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

為確保施工安全，下穿過程中對橋墩沉降及其傾斜進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，每一橋墩設(shè)沉降監(jiān)測點與傾斜測點。下穿段橋梁監(jiān)測點布置如圖7所示。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及CJJ 99—2017《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，蟠桃宮立交橋沉降差暫按5mm控制，橋墩整體傾斜按0.001控制(傾斜指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到或超過管理基準(zhǔn)值時，應(yīng)立即停止施工，修正支護(hù)參數(shù)后方能繼續(xù)施工。

圖7 橋梁測點布置示意

下穿施工前至下穿施工完成以后各橋墩的差異沉降值變化曲線及傾斜度變化曲線如圖8所示。由圖8a可看出，監(jiān)測前期，5號與7號橋墩及6號與8號橋墩的差異沉降較大，隨后時間推移迅速減小，而1號與3號橋墩及2號與4號橋墩的差異沉降隨開挖推進(jìn)由小變大，存在量值約2.3mm且同時間點的突變；監(jiān)測中期，各橋墩差異沉降值相對平穩(wěn)，其絕對值保持在4mm以內(nèi)；監(jiān)測后期，下穿施工完成后，3號與5號橋墩、4號與6號橋墩及6號與8號橋墩發(fā)生同時間點的突變，前兩者差異沉降先增大后減小，后者則相反，期間以4號與6號橋墩差異沉降-4.745mm為最大。

圖8 橋墩差異沉降與傾斜值變化

圖8b表明，各橋墩傾斜率隨施工階段呈差異性變化。施工起始，各橋墩傾斜率差別不大，變化范圍較小，而后3號橋墩傾斜率率先迅速增大，在0.06%附近波動；施工至130d左右時，各橋墩傾斜率明顯拉開，而后以1號、2號和5號橋墩傾斜率較大，其中又以2號橋墩傾斜率0.095 4%為最大；監(jiān)測末期，1號、2號和5號橋墩傾斜率均有所降低，各橋墩傾斜率也較小。

從監(jiān)測結(jié)果全過程分析可得出，冷開挖法下穿施工引起的橋梁差異沉降及橋墩傾斜均在目標(biāo)范圍內(nèi)，滿足預(yù)期控制要求。

5 結(jié)語

針對貴陽典型的山鎮(zhèn)復(fù)雜環(huán)境下地鐵下穿既有建(構(gòu))筑物的施工難題，在確定采用冷開挖施工方法的基礎(chǔ)上，利用MIDAS GTS NX軟件，模擬了區(qū)間隧道左線先行和右線先行2種下穿既有橋梁方案的施工過程，對不同下穿方案施工可能引起的圍巖變形、樁基軸力與橋墩沉降等結(jié)果進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)隧道拱頂距離樁基底部越近時樁基受到的擾動越大，采取先行開挖距離樁基底部較遠(yuǎn)的隧道時沉降相對較小。結(jié)合工程實際情況，最終確定了左線先行的技術(shù)方案，并對施工中橋墩沉降及其傾斜的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為該方法可減少隧道開挖時對周邊環(huán)境的擾動，降低施工風(fēng)險，保證既有立交橋運營安全。

但在施工中，應(yīng)著重注意以下兩點：①必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，并通過反饋的超前地質(zhì)預(yù)報信息及時指導(dǎo)施工和修正支護(hù)參數(shù)；②二襯施工必須待隧道初支變化基本穩(wěn)定后才能進(jìn)行，并對隧道斷面中心和拱頂高程進(jìn)行重新復(fù)核，控制隧道凈空和線形，減少隧道開挖時對周邊環(huán)境的擾動。